Cztery siły w stanie równowagi.

Każdy statek powietrzny — od papierowego samolotu po samolot pasażerski — jest pchany i ciągnięty przez te same cztery siły. Siłę mierzy się w niutonach (N), a każdą z nich przedstawia się za pomocą strzałki.

• Ciężar (W) ciągnie statek powietrzny w dół, w stronę środka Ziemi. To masa pomnożona przez grawitację: W = m × g, gdzie g = 9,81 m/s². Lekki samolot o masie 1 000 kg ma ciężar 9 810 N.
• Siła nośna (L) to siła, z jaką powietrze działa na skrzydło pod kątem prostym do przepływu powietrza. W locie poziomym oznacza to kierunek w górę.
• Ciąg (T) to pchnięcie do przodu pochodzące od śmigła lub silnika odrzutowego.
• Opór (D) to opór powietrza przeciwstawiający się ruchowi. Jest skierowany do tyłu, wzdłuż przepływu powietrza.

Siła nośna i opór powstają w wyniku nacisku powietrza na statek powietrzny. Ciężar wynika z przyciągania przez Ziemię. Ciąg pochodzi z silnika. Zauważ, że silnik nie utrzymuje samolotu w powietrzu. To zadanie skrzydła.

Równowaga oznacza ustalony lot. Pierwsza zasada Newtona mówi, że ciało porusza się ze stałą prędkością, gdy działające na nie siły sumują się do zera. Dlatego statek powietrzny lecący poziomo ze stałą prędkością ma:

• L = W (w górę równa się w dół), oraz
• T = D (do przodu równa się do tyłu).

Nic nie pozostaje, więc nic się nie zmienia. Jeśli siły nie są równe, zaczyna działać druga zasada Newtona: siła wypadkowa = masa × przyspieszenie. Załóżmy, że zabawkowy samolot o masie 1 000 kg ma ciąg większy od oporu o 200 N. Siła wypadkowa do przodu wynosi 200 N, więc a = 200 / 1 000 = 0,2 m/s². Samolot przyspiesza, początkowo powoli, aż rosnący opór dogoni ciąg i siły ponownie się zrównoważą przy większej prędkości.

Ta sama zasada działa w górę i w dół. Jeśli siła nośna jest większa od ciężaru, statek powietrzny jest wypychany w górę, a jego tor lotu zakrzywia się ku górze. Jeśli siła nośna jest mniejsza, tor zakrzywia się w dół.

Jak duże są te liczby? Stosunek siły nośnej do oporu, L/D, mówi, jak małym kosztem skrzydło unosi swój ciężar. W ustalonym locie poziomym L = W i T = D, więc T = W / (L/D). Mały lekki samolot w tym kursie ma najlepszy L/D wynoszący około 12,5 (zobaczysz, dlaczego, w lekcji 3). Zatem:

T = D = 9 810 N / 12,5 ≈ 785 N, czyli tylko około 8 procent ciężaru. Samolot to bardzo wydajny sposób przemieszczania ciężaru, ponieważ unosi go skrzydło. Śmigłowiec w zawisie nie ma takiej pomocy: jego wirnik musi wytwarzać ciąg równy całemu ciężarowi (Świat 5).

Wznoszenie i opadanie. Podczas ustalonego wznoszenia tor lotu jest nachylony pod kątem γ. Teraz silnik musi także ciągnąć samolot pod górę, pokonując część jego ciężaru: T = D + W sin γ. Przy wznoszeniu pod kątem 5° wartość W sin 5° ≈ 9 810 × 0,087 ≈ 855 N dodatkowego ciągu. Podczas szybowania z wyłączonym silnikiem ta sama część ciężaru ciągnie samolot do przodu. Wykorzystasz to w Świecie 6.

Ten kurs ma charakter edukacyjny. Wyjaśnia fizykę lotu, aby samoloty stały się zrozumiałe. Nie jest szkoleniem lotniczym ani instrukcją obsługi żadnego statku powietrznego. Prawdziwi piloci uczą się od certyfikowanych instruktorów oraz z instrukcji obsługi samolotu, którym latają. Liczby dotyczą uproszczonego modelu samolotu, więc nie będą dokładnie odpowiadać żadnemu rzeczywistemu typowi.